基于DoDAF的無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳璐 吳虎勝

摘要：????? 運用無人機(jī)集群處置突發(fā)事件是一種高效的處置模式， 為建立由地面到空中、 由平面到立體的綜合治安防控體系， 使用美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架DoDAF（Department of Defense Architecture Framework）構(gòu)建無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系模型， 從任務(wù)需求出發(fā)建立體系的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、 任務(wù)活動、 組織關(guān)系、 能力指標(biāo)等模型， 使用層次分析法AHP（Analytical Hierarchy Process）和模糊綜合評判法， 定性定量相結(jié)合對能力需求進(jìn)行分析， 為無人機(jī)集群處置突發(fā)事件作戰(zhàn)的應(yīng)用需求及論證提供支撐和研究視角。

關(guān)鍵詞：???? 無人機(jī)集群; DoDAF; 層次分析法; 模糊綜合評判法; 應(yīng)急響應(yīng)體系；? 武器裝備

中圖分類號：??? ?TJ760； V279? ??文章編號：??? ?1673-5048（2023）04-0078-07

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：??? A? ? DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0228

0引言

近年來， 隨著大國博弈的持續(xù)升溫， 加之疫情影響導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)放緩， 社會動蕩因素增多， 局部沖突日益頻繁、 城市爆發(fā)突發(fā)情況風(fēng)險顯著增加， 如何高效運用武器裝備， 構(gòu)建發(fā)展快速響應(yīng)任務(wù)處置的裝備需求體系， 提高處置效能， 已成為不可回避的重大課題。 集群（Swarm）是指由實體（Entity）組成的擁有共同目標(biāo)的群組（Group）， 自組織（Self-Organizing）是集群在獲取或者嘗試獲取該目標(biāo)時產(chǎn)生的協(xié)調(diào)行為［1］。 無人機(jī)執(zhí)行3D即枯燥（Dull）、 惡劣（Dirty）、 危險（Dangerous）任務(wù)時， 相比有人機(jī)具有更大的優(yōu)勢。 受自然界蜂鳥群、 狼群等啟發(fā)， 組成無人機(jī)集群， 形成具有無中心、 共識自主性、 自組織性等特點的群體智能機(jī)制， 突出數(shù)量、 智能、 應(yīng)變、 低成本等方面的優(yōu)勢， 將其應(yīng)用在突發(fā)情況應(yīng)急響應(yīng)體系中， 無論是在理論框架還是應(yīng)用需求都是十分契合的。

美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架（DoDAF）是一種規(guī)范化描述體系結(jié)構(gòu)的方法， 適用于體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與分析。 DoDAF作為武器裝備需求描述的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到較為廣泛的認(rèn)可［2］。 但作為一個公共標(biāo)準(zhǔn)， 并沒有針對裝備需求描述提供具體的開發(fā)指導(dǎo)， 其在作戰(zhàn)體系中的應(yīng)用也較為稀少。 目前， 國內(nèi)針對無人機(jī)集群作戰(zhàn)體系的研究還處于起步階段， 文獻(xiàn)［3］通過DoDAF 視圖對反導(dǎo)作戰(zhàn)進(jìn)行建模與仿真設(shè)計。 文獻(xiàn)［4-5］使用DoDAF對有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 文獻(xiàn)［6］運用DoDAF方法對空基反導(dǎo)裝備體系結(jié)構(gòu)建模。 雖然建立了一些作戰(zhàn)體系模型， 但缺少對其性能合理性和可行性的分析。

目前國內(nèi)對無人機(jī)集群處置突發(fā)事件體系建設(shè)的相關(guān)研究較少， 本文以DoDAF為基礎(chǔ)， 從全景視點、 作戰(zhàn)視點、 系統(tǒng)視點出發(fā)， 構(gòu)建一種以處置突發(fā)情況為中心任務(wù)的無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系結(jié)構(gòu)模型， 并運用AHP和模糊綜合評判法對相關(guān)能力指標(biāo)進(jìn)行分析評估， 驗證其指標(biāo)構(gòu)建的合理性、 優(yōu)劣性。 以其中的任務(wù)處置節(jié)點為例進(jìn)行評判， 驗證了其有效性。

1無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系框架構(gòu)建

通過打造無人機(jī)互聯(lián)互通， 作戰(zhàn)行動智能協(xié)同的應(yīng)急響應(yīng)裝備體系， 實現(xiàn)“因勢利導(dǎo)、 因地制宜、 因人而異”的作戰(zhàn)理念， 盡可能實現(xiàn)以最小的代價取得最大的處置戰(zhàn)果。 以無人機(jī)集群形成空中主導(dǎo)力量， 與地面力量相結(jié)合， 充分利用無人機(jī)模塊化、 自動化、 機(jī)動性、 集群協(xié)作性等特點， 補(bǔ)齊在處置突發(fā)事件的短板弱項， 實現(xiàn)無人機(jī)偵察、 威懾、 宣傳、 非致命驅(qū)散、 抓捕于一體的綜合能力。 該系統(tǒng)主要分為偵察預(yù)警系統(tǒng)、 指揮控制系統(tǒng)、 任務(wù)處置系統(tǒng)、 信息保障系統(tǒng)4個部分。 偵察預(yù)警系統(tǒng)確保查明事件的起因、 背景、 規(guī)模， 了解掌握現(xiàn)場相關(guān)情況、 社會動態(tài)、 事件發(fā)展趨勢以及危害程度， 為行動提供準(zhǔn)確情報。 指揮控制系統(tǒng)確保任務(wù)中實現(xiàn)高度集中統(tǒng)一指揮， 保證指揮高效。 任務(wù)處置系統(tǒng)則依法采取相應(yīng)的措施手段， 最低限度用武， 迅速穩(wěn)妥平息事態(tài)。 信息保障系統(tǒng)可不間斷地保障指揮、 協(xié)同和信息傳遞。 具體如圖1所示。

2基于DoDAF的體系結(jié)構(gòu)建模方法

通過以特定作戰(zhàn)任務(wù)為背景， 根據(jù)其作戰(zhàn)使命分析作戰(zhàn)任務(wù)需求， 進(jìn)而得到作戰(zhàn)活能與能力映射關(guān)系， 從而建立無人機(jī)協(xié)同處置突發(fā)事件的體系結(jié)構(gòu)視圖產(chǎn)品和可執(zhí)行模型。 其流程為： 首先通過AV視圖對其進(jìn)行體系描述。 建立AV-1信息模型， 反映其作戰(zhàn)任務(wù)的整體信息， 為結(jié)構(gòu)模型提供整體約束， 然后通過OV視圖對其進(jìn)行分解建模， 建立OV-1概念圖， 更形象直觀地描述其作戰(zhàn)概念， 通過OV-4描述作戰(zhàn)節(jié)點、 人員、 部門之間的組織結(jié)構(gòu)和指揮關(guān)系； 通過OV-5b， OV-6c描述體系的作戰(zhàn)活動流程、 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 建立SV視圖對系統(tǒng)進(jìn)行分解， 通過SV-4a， 描述其細(xì)化的系統(tǒng)功能， 最后得出作戰(zhàn)能力指標(biāo)。

為實現(xiàn)無人機(jī)協(xié)同處置突發(fā)事件體系構(gòu)建相關(guān)模型， 滿足體系需求， 具體建模采用的產(chǎn)品視圖如圖2所示。

（1） 依次建立AV-1， OV-1， 明確體系構(gòu)建描述。

（2） 建立OV-4， 明確體系組織關(guān)系。

（3） 建立OV-5b， OV-6c， 跟蹤其作戰(zhàn)活動和狀態(tài)轉(zhuǎn)換及其資源交換。

（4） 建立SV-4a， 對其作戰(zhàn)功能進(jìn)行分解細(xì)化。

（5） 建立作戰(zhàn)能力指標(biāo)， 通過系統(tǒng)功能對其作戰(zhàn)能力進(jìn)行映射， 得到相應(yīng)指標(biāo)。

3無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系結(jié)構(gòu)模型

3.1基于全景視角的結(jié)構(gòu)模型

建立AV-1概要信息模型， 是對整個結(jié)構(gòu)框架的總體描述及其信息的總和［7］。 通過具體描述， 清晰地展現(xiàn)決策過程。 AV-1模型描述無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系結(jié)構(gòu)的任務(wù)背景、 作戰(zhàn)目的、 作戰(zhàn)范圍、 約束條件、 作用效果等， 為后續(xù)設(shè)計開發(fā)提供概念支撐。 AV-1全景視圖如圖3所示。

3.2基于作戰(zhàn)視圖的結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)相關(guān)部門作戰(zhàn)任務(wù)需求， 建立高層作戰(zhàn)概念圖OV-1描述使命任務(wù)， 掌握作戰(zhàn)系統(tǒng)的各個作戰(zhàn)單元之間的信息交互情況， 對作戰(zhàn)使命有更細(xì)化具體的了解， 形成作戰(zhàn)節(jié)點， 如圖4所示。

建立組織關(guān)系圖OV-4描述作戰(zhàn)節(jié)點， 組織之間的指揮結(jié)構(gòu)關(guān)系。 用來闡明其中各個系統(tǒng)與分系統(tǒng)， 組織與分組織之間存在的各種關(guān)系。 無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系組織主要由信息保障組織、 偵察預(yù)警組織、 任務(wù)處置組織、 指揮控制組織構(gòu)成， 如圖5所示。

基于無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系的任務(wù)需求， 建立OV-5b作戰(zhàn)活動模型， 通過描述活動間的輸入輸出關(guān)系流， 進(jìn)一步對作戰(zhàn)活動流程進(jìn)行明確和規(guī)范。 如圖6所示， 以實行驅(qū)散活動為背景， 創(chuàng)建活動模型子圖， 指揮中心根據(jù)偵察無人機(jī)群組反饋的圖像信息智能決策發(fā)布任務(wù)給驅(qū)散任務(wù)無人機(jī)群組， 而后規(guī)劃航線選取目標(biāo)人群， 選取驅(qū)散策略和具體任務(wù)群組， 指揮控制群組實施驅(qū)散活動。

建立OV-6c事件跟蹤描述， 充分描述其作戰(zhàn)活動及任務(wù)的動態(tài)行為， 明確了整個任務(wù)流程的時序關(guān)系和行為關(guān)系。 如圖7所示， 通過對處置突發(fā)事件任務(wù)中作戰(zhàn)活動節(jié)點的處置順序來分解動態(tài)行為。 其節(jié)點包括指揮控制、 現(xiàn)場態(tài)勢偵察、 政策宣傳疏導(dǎo)、 實施任務(wù)驅(qū)散、? 協(xié)同協(xié)助抓捕、 巡邏維持穩(wěn)定。

3.3基于系統(tǒng)視圖的結(jié)構(gòu)建模

在AV視圖和OV視圖基礎(chǔ)上， 建立SV-4a系統(tǒng)功能分解模型。 對任務(wù)功能進(jìn)行分解， 分類細(xì)化得到子任務(wù)功能。 如圖8所示， 采用層次圖將整個應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)功能分為指揮控制功能、 偵察預(yù)警功能、 任務(wù)處置功能、 任務(wù)評估功能， 并細(xì)化分解出子功能， 對各功能進(jìn)行連接得到數(shù)據(jù)流。

3.4構(gòu)建作戰(zhàn)能力指標(biāo)

利用DoDAF的三個視圖對無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系進(jìn)行可視化分析， 將抽象的作戰(zhàn)需求具體化、 流程化［8］。 自頂向下對其進(jìn)行分解， 得到作戰(zhàn)活動、 作戰(zhàn)功能、 作戰(zhàn)節(jié)點等一系列映射關(guān)系。 通過對無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系從全局到局部分析， 映射出不同階段活動流程及各分系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)流， 分析出需求的作戰(zhàn)能力， 找到其對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系， 通過對得出的作戰(zhàn)活動進(jìn)行能力提取， 轉(zhuǎn)化為規(guī)范化描述的能力需求。

其能力需求映射如下：

（1） 指揮： 指揮實時暢通， 數(shù)據(jù)信息可靠準(zhǔn)確， 確保行動高效統(tǒng)一。

（2） 偵察： 綜合運用多種偵察手段， 對現(xiàn)場實施多維立體高效的偵察， 實現(xiàn)指揮可視化、 感知實時化。

（3） 宣傳： 利用無人機(jī)攜帶擴(kuò)音模塊， 持續(xù)對聚眾人群進(jìn)行喊話， 達(dá)到安撫疏導(dǎo)作用。

（4） 驅(qū)散： 利用無人機(jī)搭載不同效能非殺傷性武器裝備載荷， 奪控并舉， 對鬧事人群進(jìn)行驅(qū)散， 迅速控制事態(tài)。

（5） 打擊： 根據(jù)事態(tài)惡化情況依法對鬧事分子進(jìn)行精準(zhǔn)打擊， 發(fā)揮突擊打擊優(yōu)勢。

（6） 抓捕： 無人機(jī)自動追蹤， 標(biāo)記鬧事分子， 引導(dǎo)協(xié)同地面力量進(jìn)行抓捕。

（7） 巡邏： 利用無人機(jī)實現(xiàn)全時監(jiān)控， 監(jiān)測異常目標(biāo)， 防止事件反彈， 如表1所示。

為了能夠?qū)⒆鲬?zhàn)需求與整個系統(tǒng)功能進(jìn)行更加緊密的聯(lián)系［9］， 進(jìn)一步結(jié)合SV-4a系統(tǒng)功能分解模型對其作戰(zhàn)能力需求再次進(jìn)行細(xì)化分類。 根據(jù)指揮控制、 偵察預(yù)警、 任務(wù)處置、 任務(wù)評估四大功能對能力需求進(jìn)行映射， 可構(gòu)建出整個體系的作戰(zhàn)能力指標(biāo)。 通過映射更加直觀地描述了整個系統(tǒng)的能力分層對應(yīng)關(guān)系， 得出所需的具體能力［10］， 可分為4個一級能力， 11個二級能力， 30個三級能力， 如圖9所示。

4構(gòu)建無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系能力需求分析模型

通過DoDAF建模得到無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系的作戰(zhàn)能力指標(biāo)。 為了全面評判其作戰(zhàn)需求， 建立能力評判模型， 通過層次分析法（AHP）對指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分析， 采用模糊綜合評判法進(jìn)行評判， 不斷調(diào)整優(yōu)化性能指標(biāo)， 可達(dá)到提升體系能力水平、 彌補(bǔ)體系能力短板、 縮小體系能力差距的效果； 從聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)角度出發(fā)， 可達(dá)到提高完成作戰(zhàn)任務(wù)程度、 降低作戰(zhàn)損失和消耗的效果。

4.1評判指標(biāo)結(jié)構(gòu)建模

層次分析法作為目前非常成熟的權(quán)重計算法， 應(yīng)用非常廣泛［11］。 對n個因素A1，? A2，? A3，? …，? An， 通過九級標(biāo)度法建立兩兩比較矩陣， 按照1～9的標(biāo)度進(jìn)行評價， 如表2所示。

通過打分， 得出n×n階的判斷矩陣A=（aij）；

4.2模糊綜合評判法

因無人機(jī)集群作戰(zhàn)效能不是依靠簡單的單項指標(biāo)加和， 其指標(biāo)需要考慮多個因素所產(chǎn)生的影響［12］， 其復(fù)雜的涌現(xiàn)性依靠傳統(tǒng)的評估手段是無法滿足需求的， 所以要利用模糊綜合評判法在定性分析各因素的基礎(chǔ)上， 定量地對其指標(biāo)體系進(jìn)行科學(xué)有效的綜合分析， 構(gòu)成合理的裝備體系， 為決策優(yōu)化提供支撐［13］。

首先建立各指標(biāo)評語集， 劃分4個等級（優(yōu)， 良， 一般， 差）， 對應(yīng)分?jǐn)?shù)集合為{100， 80， 60， 40}。 其次建立因素集， U={u1， u2， …， ui}， i=1， 2， …， n， 建立評判集V={v1， v2， …， vj}， j=1， 2， …， n。

進(jìn)行單因素評判Ri， 確定權(quán)重及隸屬度向量， 得到評判模糊矩陣R

為均衡各個因素的影響程度， 使用加權(quán)平均型計算

4.3實例分析

以無人機(jī)集群的任務(wù)處置能力為例進(jìn)行評判。

4.3.1模型建立

為了實現(xiàn)理論與實踐的融通， 通過不斷地迭代演化建立了對應(yīng)的作戰(zhàn)能力指標(biāo)［14］。 根據(jù)得出的作戰(zhàn)能力指標(biāo)， 建立無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系的任務(wù)處置系統(tǒng)評判模型。 以任務(wù)處置能力指標(biāo)為決策目標(biāo)層， 由于其復(fù)雜性和特殊性， 從任務(wù)節(jié)點出發(fā)， 建立兩層準(zhǔn)則層。 第一層指標(biāo)分為宣傳疏導(dǎo)能力、 驅(qū)散能力、 抓捕能力。

第二層指標(biāo)細(xì)化如下：

（1）宣傳疏導(dǎo)能力指標(biāo)

包括信息傳播能力（實現(xiàn)喊話驅(qū)散、 警告、 談判、 通知的能力， 確保傳播度）和定位規(guī)劃能力（精準(zhǔn)定位、 識別目標(biāo)， 確保行動準(zhǔn)確度）。

（2）驅(qū)散能力指標(biāo)

包括載荷效能能力、 攻擊能力（攜帶載荷的精確打擊能力， 對目標(biāo)實施有效的打擊）、 生存能力（無人機(jī)集群的自愈能力， 確?，F(xiàn)場生存， 不影響任務(wù)進(jìn)行）、 機(jī)動能力（快速進(jìn)行任務(wù)部署， 提高現(xiàn)場處置能力）、 戰(zhàn)術(shù)編組能力（無人機(jī)集群相互配合， 合理分配攻防資源， 提高戰(zhàn)術(shù)效能能力）。

（3）抓捕能力指標(biāo)

包括標(biāo)識追蹤能力（對異常目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識， 進(jìn)行精確跟蹤并取證的能力）、 抓捕可靠能力（利用無人機(jī)集群發(fā)射捕捉網(wǎng)、 黏膠彈等對其實施精確打擊抓捕能力）、 抗毀能力（規(guī)避敵方的打擊， 確保行動安全）。 系統(tǒng)評判模型如圖10所示。

4.3.2AHP計算權(quán)重

使用層次分析法， 根據(jù)實際任務(wù)情況， 結(jié)合專家打分法， 對無人機(jī)集群的任務(wù)處置系統(tǒng)指標(biāo)的相對重要性進(jìn)行比較， 對其性能進(jìn)行定量分析［15］， 如表3～6所示。

體系U的權(quán)重W由計算可得。 λmax=3.029 1， CI= 0.014 5， IR=0.52，? CR=0.027 9。 從結(jié)果可知CR＜0.1， 其一致性可接受， 權(quán)重W =［0.081 1，? 0.576 9，? 0.342 0］T。

體系U1的權(quán)重W 1由計算可得。 λmax=2， CR=0。 從結(jié)果可知CR＜0.1， 其一致性可接受， 權(quán)重W1=［0.750 0， 0.250 0］T。

體系U2的權(quán)重W 2由計算可得。 λmax=5.246 4， CI= 0.061 6， IR=1.12， CR= 0.055 0。 從結(jié)果可知CR＜0.1， 其一致性可接受， 權(quán)重W2=［0.038 9，? 0.502 1，? 0.256 0，? 0.125 9， 0.077 1］T。

體系U3的權(quán)重W 3由計算可得。 λmax=3.009 2， CI= 0.004 6， IR=0.52， CR=0.008 8。 從結(jié)果可知CR＜0.1， 其一致性可接受， 權(quán)重W3=［0.192 9， 0.701 0， 0.106 1］T。

4.3.3模糊綜合評判

將計算出體系的作戰(zhàn)能力指標(biāo)權(quán)重分為兩個層級， 第一層有3個指標(biāo)， 第二層有10個指標(biāo)， 由專家對其打分， 如表7所示。

計算U1模糊評價Bi（i=1， 2， 3）：

歸一化后， B1=［0.30.3250.20.175］，B2=［0.361 81 0.375 81 0.149 79 0.112 59］；?B3=［0.329 90.20.289 390.180 71］。

由此可得，? 無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系作戰(zhàn)任務(wù)處置系統(tǒng)在宣傳疏導(dǎo)能力、 驅(qū)散能力、 抓捕能力3項指標(biāo)的一級判斷矩陣為B=［B1B2B3］， 經(jīng)加權(quán)法可得

A=WB=［0.345 90.311 60.201 60.140 9］。

對于無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系任務(wù)處置系統(tǒng)的能力構(gòu)建， 35%的專家認(rèn)為優(yōu)， 31%的專家認(rèn)為良， 20%的專家認(rèn)為一般， 14%的專家認(rèn)為差。

分?jǐn)?shù)集為C=［100， 80， 60， 40］T， 將其結(jié)果與評分集進(jìn)行加權(quán)得分為

S=WBCT=ACT=［0.345 9， 0.311 6， 0.2016， 0.140 9］［100， 80， 60， 40］T=77.247 6。

同理可得： S1=B1·CT= 75.000； S2=B2·CT=79.736 8； S3=B3·CT=73.581 8。

由此可得， 無人機(jī)集群應(yīng)急響應(yīng)體系任務(wù)處置系統(tǒng)的構(gòu)建較為合理， 任務(wù)的驅(qū)散能力構(gòu)建相對較好， 抓捕能力的構(gòu)建稍弱， 但其整體構(gòu)建距離最優(yōu)選方案還有一定調(diào)整的空間。 其他系統(tǒng)的能力構(gòu)建綜合評判按照上述方法可依次得出。 綜合結(jié)果不斷調(diào)整， 優(yōu)化改進(jìn)指標(biāo)建設(shè)， 從而得出更優(yōu)的體系構(gòu)建。

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Design of Emergency Response Architecture of Unmanned Aerial Vehicle Swarm Based on DoDAF

Chen Lu*，? Wu Husheng

（Engineering University of PAP，? Xian 710086，? China）

[HT]Abstract： Using Unmanned Aerial Vehicle（UAV） swarm to deal with emergencies is an efficient handling mode. In order to establish a comprehensive security prevention and control system from the ground to the air，? from the plane to the threedimensional，? the UAV swarm emergency response system model for emergencies is built by using the Department of Defense Architecture Framework（DoDAF），? and the system structure，? task activities，? organizational relationships，? ability indicators and other models of the system are established based on the? task requirements. With AHP（Analytic Hierarchy Process）and fuzzy synthetic evaluation method，? the capability requirements are analyzes combining qualitative and quantitative methods. The analysis provides support and research perspectives for the application requirements and demonstration for UAV emergency warfare.

Key words： ?UAV swarm; DoDAF; analytic hierarchy process（AHP）; fuzzy synthetic evaluation; emergency response architecture; weapon equipment